智慧农业应用与解决方案

目 录

第一章 概述

　　1.1项目背景

　　1.2建设需求及目标

　　1.3建设原则

第二章 系统优势

第三章 系统设计

　　3.1系统框架图

　　3.2物联网感知层功能介绍

　　3.2.1 智能检测

　　3.2.2视频采集系统介绍

　　3.3中心处理端介绍

　　3.4应用端介绍

　　3.4.1 PC客户端观看：

　　3.4.2 WEB观看：

　　3.4.3 手机观看：

第四章 系统部署

　　4.1系统结构图

　　4.2监控中心：

　　4.2.1监控中心结构部署

　　4.2.2 网络部署

　　4.2.3 存储部署

　　4.2.4监控视频显示系统

第五章 成功案例

　　某集团农业大棚智能监控

　　概述

　　1.1项目背景

　　中共中央已经连续18年出台中央一号文件，国家所聚焦的“三农”问题的侧重点也逐渐变化。

　　从改善农民生活，到数字农业布局

　　2004年-2009年，重点关注提高农业综合生产能力，促进农民增收，提高农业基础设施建设，旨在从根本上改善农民生活水平。

　　2010年-2014年，统筹城乡发展，提高水利改革，促进科技创新与农业现代化水平，旨在进一步提升农业的现代化水平。

　　2015年-2017年，提升改革创新的力度，强调农业供给侧结构性改革，心系亿万农民与全国人民一道迈入全面小康社会，旨在继续以科技创新，全面提高农业水平，带动农民奔向小康。2018年开始，国家开始布局数字农业。2018年的中央一号文件首次提出实施“数字乡村战略”，强调了“数字农业”与“智慧农业”。

　　在2021年更是提到了：“依托现有资源建设农业农村大数据中心，加快物联网、大数据、区块链、人工智能、第五代移动通信网络、智慧气象等现代信息技术在农业领域的应用，并开展国家数字乡村试点”。

　　“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国也正在高度重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

　　农业物联网，即在大棚控制系统中，运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、值传感器、光传感器、传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、值、光照强度、土壤养分、浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

　　我国是一个农业大国，又是一个自然灾害多发的国家，农作物种植在全国范围内都非常广泛，农作物病虫害防治工作的好坏、及时与否对于农作物的产量、质量影响至关重要。农作物出现病虫害时能够及时诊断对于农业生产具有重要的指导意义，而农业专家又相对匮乏，不能够做到在灾害发生时及时出现在现场，因此农作物无线远程监控产品在农业领域就有了用武之地。农业信息化，智慧化是国民经济和社会信息化的重要组成部分，是农业发展的必然阶段，是新时期农业和农村发展的一项重要任务，是实现国民生计的大事。以农业信息化带动农业现代化，对于促进国民经济和社会持续、协调发展具有重大意义。进一步加强农业信息化建设，通过信息技术改造传统农业、装备现代农业，通过信息服务实现小农户生产与大市场的对接，已经成为农业发展的一项重要任务。

　　农业物联网建设主要包括环境、植物信息检测，温室、农业大棚信息检测和标准化生产监控，精准农业中的节水灌溉，作物生长远程观察，专家远程指导等应用模式，例如农作物生长情况、病虫害情况、土地灌溉情况、土壤空气变更等环境状况以及大面积的地表检测，收集温度、湿度、风力、大气、降雨量，有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH值等信息的监测和远程视频查看等。

　　1.2建设需求及目标

　　智能农业控制系统通过实时采集农业大棚内温度、湿度信号以及光照、土壤温度、土壤水分等环境参数，自动开启或者关闭指定设备。可以根据用户需求，随时进行处理，为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据。大棚监控及智能控制解决方案是通过光照、温度、湿度等无线传感器，对农作物温室内的温度，湿度信号以及光照、土壤温度、土壤含水量、二氧化碳浓度等环境参数进行实时采集，为实现现代农业生产提供前端的实时精确数据，同时通过远程视频查看场景实际情况。作为农业生产加工的依据，为自动化生产提供智能控制功能。

　　本方案针对智能农业大棚，采用目前先进的无线和有线结合传感技术，智能控制终端和控制软件等，分为三个组成部分：无线传感器网络，网络摄像机，智能控制系统。无线传感器网络采用适合物联网应用的ZigBee传感器件，以达到无线，低功耗，自适应组网等要求。智能控制系统通过采用智能控制终端、网络摄像机，配合控制中心的智能控制软件，对远端采集的各种信号进行分析和汇总，自动控制和开启相关设备，对农作物的生长环境进行精确调节，以达到智能，自控，高效，高产的目的。

　　1.3建设原则

　　充分应用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理。依托部署在农业生产现场的各种传感节点(环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等)和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。

　　第一章 系统优势

　　1)信息获取精确

　　“华迈智慧农业远程监控解决方案”与现代生物技术、种植技术等高新技术融合于一体，实现智能化土地资源管理，提升精准和效率。

　　2)改善农业生态环境

　　将农田、畜牧养殖场、水产养殖基地等生产单位和周边的生态环境视为整体，并通过对其物质交换和能量循环关系进行系统、精密运算，保障农业生产的生态环境在可承受范围内，智能化生产过程管理和病虫害综合防治。

　　3)提高效率，解放劳动力

　　基于精准的农业传感器进行实时监测，利用云计算、数据挖掘等技术进行多层次分析，并将分析指令与各种控制设备进行联动完成农业生产、管理。这种智能机械代替人的农业劳作，不仅解决了农业劳动力日益紧缺的问题，而且实现了农业生产高度规模化、集约化、工厂化，提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代产业。

　　4)信息获取便捷

　　能够彻底转变农业生产者、消费者观念和组织体系结构。完善的农业科技和电子商务网络服务体系，使农业相关人员足不出户就能够远程学习农业知识，获取各种科技和农产品供求信息;专家系统和信息化终端成为农业生产者的大脑，指导农业生产经营，改变了单纯依靠经验进行农业生产经营的模式，彻底转变了农业生产者和消费者对传统农业落后、科技含量低的观念。

　　5)变革农业管理和服务模式

　　依靠数据和分析服务进行科学决策，改变盲目性较强的行政手段管理。农业生产者可以从“农业云”上随时随地获取所需的数据分析结果和专家指导服务，驱动农业管理和服务模式进入“云时代”。

　　6)全面提升农业的现代科技武装

　　智慧农业为农机具、灌溉设备等农业基础设备装上“眼睛”、“鼻子”、“耳朵”和“神经系统”等，使它们具有了“灵性”。另外，信息技术是农业其他科技运用的重要支撑，如利用信息系统能够更有效地开展新品种选育、基因图谱的解析等。

　　7)极大拓展农业的开放度和影响力

　　一方面，提高农业的科技含量，有利于打造形成全球农业的科技示范中心;另一方面，利用信息、金融杠杆引导全国和国际农产品物流，建立形成农产品集散中心和定价中心;再有，通过应用虚拟、仿真等高新信息技术积极发展休闲农业、文化创意农业等新兴农业形态，吸引国内外知名企业参与发展，打造我国农业的国际品牌，成为中国古老农耕文化的传播中心。

　　8)网络化监控：

　　在各个监控采集点使用华迈网络监控产品，用户可通过网络在任何一台电脑任何时间和地点输入用户名和密码即可观看权限范围内的实时视频图像。也可随时调用监控采集点的录像存储文件。

　　9)数字化存储

　　根据预先设定的存储时间和方式，监控采集点可以自动完成不间断的滚动式文件存储，也可在设定的指定时间内完成存储动作。方便进行历史信息查询，为相关事件(事实)提供确切证据。

　　10)现场语音控制传输

　　现场环境声音实时监听，点对点远程对讲通话。(监控设备根据型号的不同，不带拾音头和扩音器的主机需外购音频采集及播放设备)

　　11)先进的技术，符合国际潮流

　　华迈网络视频监控设备采用先进的嵌入式操作系统，设备体积小，视频处置速度快，稳固性高，适合在无人值守的环境中使用。支持互联网或3G移动网络等方式进行联网，并提供NET穿透及路由穿透等独创功能。通过网络，可以远程对系统硬件设备进行软件升级和维护。平台里的硬件设备有主动恢复功能，前端出现电路或网络故障，当电路或网络故障恢复时，整套系统里的软硬件设备可自主启动并连接网络，无需人工干预。

　　采用创新的设备管理及P2P视频流传输方式，用户操作使用简便，无任何使用障碍，做到能上网就会使用，极大减轻了对用户的培训工作。

　　12)网络化、数字化、低成本

　　华迈视频平台系统采用的TCP/IP协议，终端设备内置HTTP服务器，提供RJ-45以太网接口，利用现成的计算机网络环境即能架设在局域网、广域网、INTERNET和无线网络之上，无需另行铺设视频线缆，节俭了铺设长距离线缆的成本。由华迈网络监控设备构架的安防技术方案里不需要增加专业的监控显示设备，使用普通计算机进行监控录像即可。将监控设备和计算机合二为一，降低设备采购成本。需要浏览视频图像时，无论是使用手机网络还是固话宽带网络，均能自由访问并管理远程监控点。

　　13)高清晰无延迟图像

　　华迈网络监控设备采取H.264图像编码压缩技术，图像清晰度高，即使是在低带宽情况下依然可实现高质量视频图像传输。视频传输延迟极低，正常网络环境下视频传输延迟仅1秒左右。

　　14)强大的后台功能设计

　　华迈平台具备远程联网监控的所有功能，包括远程图像实时监看、远程调看录像资料、远程遥控云台镜头、远程报警接收，还可通过网络对各网点摄像机的基本参数进行设置;提供录像、手动录像和报警录像三种录像模式，具备异地分布式录像存储功能，录像帧速可调节。

　　15)视频平台扩容及产品的维护

　　通过使用华迈网络监控设备和华迈专用视频管理软件，极大的简化了监控系统中可能涉及的设备种类和数量，它完全代替了传统安防监控系统中的视频矩阵、切换器、画面分割器、字符叠加器等需要紧密配合才能使目标功能实现的设备。不仅大大降低了整个系统建设的成本，还大大减少了调试设备的施工周期。同时由于减少了设备的使用环节和种类，有效提高整套系统的稳定性和可靠性，极大的降低了后期维护设备的难度。

　　成都华迈通信提供设备远程维护的技术支持，系统产品严格按照国家和行业发布的相关标准进行设计，并且执行国家电子产品保修标准。

　　第二章 系统设计

　　3.1系统框架图

　　3.2物联网感知层功能介绍

　　3.2.1 智能检测

　　通过密集分布的无线温度、湿度、光照度、CO2浓度等传感器，定期实时采集大棚内和土壤的温湿度、棚内光照度、空气中的CO2含量等数据，并将数据实施通过WiFi传输到控制中心。控制中心的软件中已经预设各种数据的临界范围值，一旦某个参数超出范围，系统将发出预警信号，通过声光装置进行报警，同时也可以发出控制指令，启动智能插座令各种设施如加温器、加湿器、进/排气扇、遮阳棚、喷淋器等进行工作，可对温室灾害性气候进行预警，用以对抗常见(特别是西部地区)的低温，干旱，光照度过强，昼夜温差大等气候影响。

　　采用土壤湿度传感器对土壤的湿度进行实时监测并将数据上传到控制中心，一旦土壤湿度低于预设值，系统将发出指令启动喷淋滴灌系统，做到精准控制;当土壤湿度回复到农作物生长的正常值之后，系统又可发出指令让喷淋滴灌系统停止工作，以最大限度地达到高效滴灌，做到温室节水高效滴灌控制、节约用水的目的。

　　通过在每个大棚中部署光照度传感器以及CO2浓度传感器，将数据汇集到控制中心，实现集群式的光照度和CO2环境数据采集和控制。通过手动或者自动控制遮阳棚、进/排气扇的启动和关闭，可以有效地成片控制温室大棚内的光照度和空气，分布式日光温室群检测，以达到农作物最为适宜的光照和CO2浓度。

　　通过无线传感器收集大棚中农作物的实时生长环境参数：温度、湿度、光照强度等。 这些环境实时信息，通过网络传输到中心控制室并保存在数据库中，可以随时供专家系统软件调用分析。同时，系统软件中还预置了专家经验数据库，给出了各种参数值的范围和理想值，以及针对各种问题的指导意见和解决问题的详细操作指导。另外，用户可以在大棚现场通过手机拍照，将图片通过WiFi上网直接发送给专家进行诊断。部署在现场的无线视频头也可以提供实时的大棚内农作物的生长态势照片及视频图像，通过系统传输并存储在控制中心，随时供专家调用和分析，实现远程指导。

　　3.2.2视频采集系统介绍

　　1)网络远程监控功能

　　通过网络，登录平台即可实现远程视频管理、展示等功能;支持客户端及手机查看。

　　2)图像分屏查看

　　支持多画面图像同屏显示及多画面切换。

　　3)红外夜视功能

　　枪机产品支持红外夜视30m～50m。

　　4)支持多用户、多设备浏览管理

　　一台摄像机支持多名用户同时在线浏览;一个帐户可绑定、管理多台摄像机。

　　5)H.264压缩格式，视频流畅、清晰

　　采用H.264 Main Profile@level 3压缩算法，独立研发优化编码算法，低带宽也能传输流畅视频;最低带宽占用仅8K，最高分辨率达到1080P;可根据网络实际带宽，动态调节画面质量。

　　6)移动视频监测及报警

　　支持关键区域的移动视频监测、关键区域遮挡报警，可支持外接报警设备。可直接发送图片或报警信息到指定的邮箱、手机。

　　7)远程云台控制，使用场景设置

　　远程控制云台，视角更广;多个场景选择，实用性更强。

　　8)双向语音交流传输

　　能同时传输音视频资料，可以大大方便远程管理。通过摄像机本身语音对讲功能，即可实现远程语音、监听。也可外接音频设备，增强语音、监听效果。

　　9)产品即插即用，使用便捷

　　插上网线，接通电源即可完成产品安装;只要有网络的地方就能监控，可以轻易传输到互联网的任意区域;不借助第三方软件，使用IE浏览器即可管理;

　　10)定时录制，图像抓拍、开机自录、断电续传

　　支持工作日定时录制及图片抓拍，支持SD卡及本地保存。

　　11)录像功能

　　提供计划录像、手动录像和报警录像三种录像模式，录像帧速可调节。具备异地分布式录像存储功能;

　　3.3中心处理端介绍

　　监管系统的核心，承担集中监管功能，对视频信息的获取和管理享有最高权限。因此考虑到总控制中心，实现全网监控视频接收、重要视频集中存储、监控设备统一管理以及权限统一分配。

　　从“统一规划、分级管理”的角度出发，采用华迈公司的多级管理IP监控解决方案，按其组织架构以及各级机构对监控业务的不同需求建设总控制中心、分控制中心、监管点的多级管理模式。

　　1)网络化、数字化、低成本

　　系统采用TCP/IP协议，内置HTTP服务器，提供RJ-45以太网接口，能架构在局域网、广域网、INTERNET和无线网络之上，不需要铺设视频线缆，实现计算机网络和视频网络合二为一，节俭了铺设长距离线缆的成本。本方案不需要专门的监控设备，使用普通计算机进行监控录像，将监控设备和计算机合二为一，降低设备采购成本。可任意设置网关，完整支持跨网段、有路由器的远程视频监控环境。

　　2)高清晰度图像

　　图像采取H.264编码尺度，图像清晰度高，在低带宽情况下可实现高质量视频图像传输。

　　3)多权限功能

　　系统监控中心和各分控中心可以对管辖范畴内多个本地和远程监控前端进行实时监控，不同的用户可依据职务分配不同的掌握权限。依据权限的不同，使用者可在服务网站或客户端上行使不同功能。

　　4)适用性与即插即看

　　华迈网络摄像机具备了所有需要用来树立远程监控体系的构件。安装时只需要插上网线、接通电源即可通过网站或客户端查看远程视频图像。

　　5)设备简单，便于施工

　　通过使用网络摄像机和监控系统软件，极大地简化了监控系统中可能涉及的设备种类和数量，它完整代替了模仿监控系统中的视频矩阵、切换器、画面分割器、字符叠加器等需要配合使用能力实现的功能，不仅减少了调试设备的施工周期，同时较少设备的使用，有效提高整套系统的稳定性和可靠性，减少日后维护设备的难度。

　　6)良好的可扩容性

　　当系统扩容时，在监控中心，管理人员只需要将增添的监控装备参加监控地点组别，这样就完成了全体的系统升级扩容工作。同时也可以应用此网络进行数据传输及与总部联网，并不需要再行搭建计算机网络。

　　7)设计特点

　　具备强大的网络接入功能，支持所有网络的安装接入，并提供路由穿透等独创功能。

　　采用创新的服务器管理及P2P视频流传输方式，用户操作使用简便，无任何使用障碍，做到了能上网就会使用。

　　提供灵活扩展的服务器远程视频查看模式，满足客户多路并发远程视频监控需求。

　　视频传输延迟极低，正常网络环境下视频传输延迟仅1秒左右。

　　系统支持多个用户同时访问一个视频监控点，或一个用户同时访问多个视频监控点，各点之间相互独立，互不干扰。

　　具备远程联网监控的所有功能，包括远程图像实时监看、远程调看录像资料、远程遥控云台镜头、还可通过网络对各网点摄像机的基本参数进行设置。

　　可对各网点的不同摄像机进行分组管理，支持4重目录树划分，并可根据客户需求增加多级目录树。

　　可分配各子帐号的管控权限，通过多级权限划分机制使不同帐号享有不同操作权限，以区分管理层次，加强管理的安全性;

　　3.4应用端介绍

　　应用端由PC客户端、WEB网页、手机客户端来完成。

　　3.4.1 PC客户端：

　　管理部门可通过我公司提供的专用客户端软件通过专网/互联网同时查看所有网络摄像机实时图像，客户端具有多画面分屏查看功能，所有监控点图像一目了然，并可对热点区域进行全屏观看。

　　3.4.2 WEB观看：

　　该方式为最便捷的使用查看方式，用户可在任意电脑上登录运营平台，根据IPC设备是否需要授权访问许可，输入授权的用户名及密码选择要关注的监控地点即可立刻查看远程视频图像，根据权限分配还可进行截图、录像等操作。

　　3.4.3 手机观看：

　　支持使用Android和IOS操作系统的手机

　　第三章 系统部署

　　4.1系统结构图

　　4.2监控中心：

　　监控中心由存储服务器、视频显示(电视墙)组成。

　　4.2.1监控中心结构部署

　　监控管理中心作为整个系统的核心，担负着整个系统的协调、监管职责。只有保证总监控中心内所有的设备7*24小时不间断运行，才可以保证网络视频监控系统的质量，同时满足用户建立网络化远程监控的需要。

　　应用服务器应用于多服务器监控网络系统，综合管理系统中所有的存储服务器、管理平台(客户端)和网络数字矩阵，为所有使用和访问监控网络系统的用户提供统一的入口。

　　应用服务器提供的系统服务包括：系统中所有设备的索引、数据的索引，系统中所有管理平台(客户端)的权限管理和接入，以及扩展的数据和录像功能。

　　应用服务器：接收源于网络视频监控设备和物联网传传感器采集的数据，将数据分配给存储服务器，控制网络存储服务器及数字矩阵服务器。

　　存储服务器：接收及存储源于应用服务器分配的网络视频监控设备和物联网网关的数据，为其管辖范围内的视频设备提供存储、转发服务。

　　数字矩阵服务器：接收及处理源于应用服务器分配的网络视频监控设备的数据，并使其需要观看的重点视频输出上电视墙，用于完成输出、切换、存储远程控制视频等功能。

　　4.2.2 网络部署

　　1)中心网络部署：

　　根据监看数量(同时)配置监控中心互联网网络;如果外网(互联网)同时观看10个设备(标清摄像机)，至少需要2M网络带宽(上行)，20个设备即为4M(上行)网络。以此类推。如果外网(互联网)同时观看10个设备(高清摄像机)，至少需要5M网络带宽(上行)，20个设备即为10M(上行)网络，以此类推。

　　2)前端网络部署：

　　在各大棚内，使用有线接入网络的方式进行建设，由于网络摄像机采用优化的H.264压缩算法，对带宽占用低，一条普通的2MB ADSL上行带宽为512Kbps即可同时上传1-4台标清摄像机的视频图像或1路720P高清摄像机的视频图像。物联网传感器通过无线接入物联网传感器网关，网关通过有线接入互联网。

　　4.2.3 存储部署

　　本方案中建议采用多级录像存储备份策略。

　　1) 前端存储：

　　前端摄像机均支持TF/SD卡存储，在一些重点部位的摄像机可插入TF/SD卡进行存储。一张32G TF/SD卡即可满足6天左右的百万高清图像保存，即每路视频图像每天存储容量大概在5G左右，同时支持监控中心远程调取或下载查看。物联网网关数据与视频图像同步保存。

　　2)集中存储：

　　监控管理中心可采取集中存储方式，即：通过网络将各大棚的实时数据存储至监控中心设立的NVS集中存储服务器。在监控中心搭建集中存储服务器，把所有视频集中在监控中心进行存储，保证在出现事故之后有据可查。

　　3) 云端存储：

　　使用云端进行数据信息存储，方便回放查看和数据分析，数据更加安全。

　　华迈率先采用云端存储功能，提供7天循环不间断报警视频存储，并支持随时随地在电脑或手机上查看录像，登录账号，即可简单快捷地管理录像视频。平台通过分布式、离散化元数据、三重备份、密钥等方式确保数据隐私安全。

　　4.2.4监控视频显示系统

　　通过矩阵(接入监控中心局域网)接显示大屏(LCD/DID/DLP可选),用主控电脑控制矩阵的显示及其他功能(同步、群组、程序等)。

　　电视墙配置：

　　显示屏： 采用大屏(LCD/DID/DLP)，屏幕尺寸：42/46/…寸。 大屏效果图(非实图)

数字矩阵：

　　管理服务器通过数字矩阵连接到电视墙，并通过对应软件管理，根据所需大屏数量选择数字矩阵，4路矩阵可输出4个大屏，每个大屏支持1/4/9(D1/9画面，720p/4画面)，6路可输出6个大屏，每个大屏支持1/4/9(D1/9画面，720p/4画面)。。

　　第五章 成功案例

　　5.1某集团农业大棚智能监控

　　总部大屏展示：

　　物联网传感器及网关：

　　物联网信息展示：

　　作者：系中央农办干部 宋晓文

　　　    　原国务院扶贫办开发指导司 李洪